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摘 要：我司新系列40000DWT散货船首次使用全电喷主机5S50ME-C9.7替代半电喷主机5S50ME-B9.3，船型和设备配置与旧系列船基本一样。本文对使用全电喷主机后，主机控制系统的技术更新和应用成果进行总结，并对比与半电喷主机的设计差异和耗油情况，以更好地掌握全电喷主机系统的设计和使用特点。
关键词：全电喷主机;控制系统;冗余备份;安全保护
中图分类号：U664.12 文献标识码：A
Main Engine Upgrade from Semi-EFI to Full-EFI for
40 000 DWT Bulk Carrier
WANG Meilong
（ Jiangmen Nanyang Ship Engineering Co.， Ltd.， Jiangmen 529145 ）
Abstract： Our new series 40 000 DWT bulk carrier uses the full-EFI main engine 5S50ME-C9.7 instead of the semi-EFI 5S50ME-B9.3， ship type and equipment configuration is basically the same as the old series ship. This paper summarizes the technical update design and application results of the main engine control system after the use of the full-EFI main engine， and compares the design differences and fuel consumption of the semi-EFI main engine， in order to better grasp the design and use characteristics of the full-EFI main engine.
Key words： Full-EFI main engine; Control system; Redundant backup; Security protection
1 概述
我司在40 000 DWT系列散货船上一直使用MAN公司半电喷主机S50ME-B9.3。由于MAN新推出更省油的全电喷主机5S50ME-C9.7，通过与主机厂沟通并综合多方面因素考虑，我司决定在后续新系列的40000 DWT散货船设计中，使用全电喷主机替代以前同档次的半电喷主机，以获得更优的油耗数据，满足更高的节能环保要求。主机换型升级后，新系列船型和船上其它設备基本一致。
全电喷主机与半电喷主机最大的差异是：全电喷主机完全取消凸轮轴，喷油和排气都是电控方式，可以更好地控制喷油、排气的时序和喷油量，自动协调主机各个环节的工作;而半电喷主机只是喷油使用电控方式，排气仍然使用传统的凸轮轴驱动;另外，电喷系统所需要的高压油伺服泵，在全电喷主机上正常航行时使用机带泵拖动，而半电喷主机全程使用电动泵驱动。
使用全电喷主机后，主机控制系统的操作界面和控制连接都进行了改进，操作站显示操作更加完善，同时主机控制系统与主机遥控系统和机舱报警监测系统连接都重新考虑，在抗干扰和双备用方面考虑的更全面，增加了控制系统的可靠性;通过主机台架、码头系泊试验和试航检验，对全电喷主机的使用进行了全面的验证。与半电喷主机相关试验数据对比，全电喷主机与半电喷主机相比省油明显。
2 两种主机参数对比
全电喷主机5S50ME-C9.7与半电喷主机5S50ME - B9.3 的功率参数，见表1。
两款主机基本参数相同：缸径500 mm;冲程2214 mm;缸数5缸。
从表1可以看出：两款主机的最大连续功率MCR和连续服务功率CSR的功率值和对应转速一样;两个系列船的航速要求也基本一样，在连续服务功率CSR时，航速13.6 kn;不同点主要是合同最大连续功率CMCR不同，全电喷主机更高一点;平均有效压力和最大爆压也不同，全电喷主机为17.6 bar（CMCR时）和200 bar，半电喷主机为16.9 bar（CMCR）和186 bar。
总体来说，两种主机的主要差异在于主机电控方式，全电喷主机是全电控方式，半电喷主机只有喷油电控。
3 主机控制系统
全电喷主机与半电喷主机在船厂的机械安装和油、水、气连接差异不明显。对于船厂设计的差异主要体现在主机控制系统方面：
3.1 主机控制系统总图
主机控制系统是电喷主机控制中心，全电喷主机喷油和排气都采用电控方式，取消了全部凸轮轴;主机控制系统中，全电喷主机和半电喷主机都采用冗余双CAN总线网连接，但全电喷主机控制系统接口单元EICU增加了双备用，保证主机控制系统工作稳定可靠;同时，由于控制功能的增加，主机机身增加了一个控制箱。
全电喷和半电喷主机控制系统连接图，如图1、图2所示。
3.2 主机控制系统设备组成
（1）相互备用的两个操作站MOPA/MOPB位于集控台台面，人机接口，负责操作主机控制系统，监视主机工作状态，设置各种参数，是主机控制系统的控制核心; （2）全电喷主机相互备用的的两个输入输出接口单元EICUA和EICUB，位于集控室，负责与主机遥控系统和机舱报警监测系统信息接口;半电喷主机只有一个输入输出接口单元EICU。
（3）全电喷主机有两个主机控制箱，安装在主机机体。由两个相互备用的主机控制单元ECUA/B、三个辅助控制单元ACU1/2/3、扫气控制单元SCU、5缸的气缸控制单元CCU1～5等组成，负责收集主机各种信息用于电喷控制，操作主机各气缸电喷系统所有相关工作以及接入转速测量系统数据;半电喷主机只有一个主机控制箱，控制功能在CCU1～5中完成;
（4）主机缸套冷却水控制箱CWCU，安装在主机机体，负责主机缸套冷却水温度控制，两种主机一样;
（5）主机控制系统所有设备使用双CAN网络连接，双网互为备用，任何一路CAN出现故障会报警提醒，但不影响主机模块的通信，两种主机一样。
3.3 全电喷主机其它辅助系统
（1）电源系统
带UPS的两个电源单元互为备用，位于集控室，为主机控制系统所有设备供电，断电后可以维持主机控制系统30分钟以上的供电，两种主机一样。
（2）主机管理系统
主机管理系统（EMS）只有全电喷主机配置，系统包含主机爆压监测系统和主机数据管理系统。所有爆压监测数据通过以太网传送到集控台HUB，共享到集控台操作站电脑和主机管理系统EMS电脑上;同时，机舱报警监测系统，通过MODBUS TCP/IP协议将主机所有状态监测和报警数据传送到主机管理系统，供主机管理系统使用;半电喷主机没有主机管理系统，只有主机爆压监测PMI电脑。
（3）高压伺服油系统
主机滑油通过机带滤器后由高压伺服油泵提供高压伺服油为喷油系统提供服务。半电喷主机由两个51 kW的电动泵提供动力;全电喷主机正常航行时使用机带泵驱动，只是在起动阶段使用两个12 kW的互为备用电动泵驱动。这样主机正常运行时，全电喷主机可以节省大约50 kW的电功率消耗;伺服油泵控制和状态信号接入主机控制系统，由主机控制系统自动控制。
（4）辅助鼓风机
全电喷主机和半电喷主机辅助鼓风机配置一样，但全电喷主机辅助鼓风机控制和状态信号接入主机控制系统自动控制，由主机控制系统控制，控制鼓风机不再需要主机遥控系统执行;半电喷主机辅助鼓风机控制和状态信号接入主机遥控系统，由主機遥控系统控制。
（5）油雾探测、轴承磨损监测与油含水监测报警
全电喷与半电喷主机一样，必须配置油雾、轴承磨损和滑油含水的监测，为主机安全保护和报警监测系统提供信号源。
4 主机遥控、安全保护和报警监测系统
（1）主机遥控系统
由遥控厂家提供，相比于半电喷主机，全电喷主机的遥控系统稍微简单，主机部分控制直接由主机控制系统自己完成，主机遥控系统着重于车钟和控制命令的传送;主机控制系统和主机遥控的信息沟通，除了必要的触点信号联络外，全电喷主机控制系统增加了互为备用的双RS485通信到主机遥控系统，更多的控制和状态信息方便在主机遥控和主机控制系统之间通信。
（2）主机安全保护系统
包括：自动停车和自动降速两部分。信号由主机机身传感器及主机控制系统提供;安全保护由主机遥控系统执行：
① 主机自动停车点。全电喷主机增加了两个可越控停车保护点（主机推力轴承温度高、主机控制系统可越控停车），以及三个不可越控自动停车点（主机超速、主机滑油压力低、主控控制系统不可越控停车）;
② 主机自动降速点。全电喷与半电喷主机基本一样。
（3）主机报警监测系统
主机报警监测由机舱报警监测系统执行，主机控制系统故障信号、主机机身传感器及其附属设备（如电源、鼓风机、伺服油泵、油雾探测、轴承磨损等）故障及传感器，总共80多个报警点接入机舱报警监测系统，随时监测主机的燃油、滑油、冷却水、控制空气、主机及增压器排气、增压器滑油的温度和压力、增压器转速等，以及主设备和所有附属设备的工作状态，有故障时及时给出报警，提醒轮机员及时处理故障，全面监控主机的工作状态;全电喷主机还增加了主机的环境温度、湿度、大气压力和增压器背压等信息到机舱监测系统的显示。
全电喷主机应用时，机舱报警监测系统使用以太网，通过MODBUS TCP/IP协议将主机所有状态监测和报警数据传送到主机管理系统（EMS），供主机管理系统分析处理和保存。
5 电缆敷设与接线工艺
不管是全电喷还是半电喷主机，其对控制系统稳定性和可靠性要求较高。为了保证主机控制系统稳定可靠，除了采取必要设备和网络双冗余备用外，主机出厂前机身电缆连接要满足工艺要求，船厂电缆敷设和接线也要满足工艺要求，抗干扰能力要强，特别要注意以下几点：
（1）所有电缆采用带屏蔽的船用电缆;
（2）双备用的网线和电源线，尽量分开路径敷设;
（3）模拟信号和通信信号电缆与主电源电缆分开敷设;
（4）接线时，电缆屏蔽地线接牢靠，要特别关注主机电箱填料函的进线屏蔽，电线布置整齐，尽量减少交叉。
6 全电喷主机使用效果
我们在更换全电喷主机的控制系统计后，全程跟踪了首制船主机的工厂台架试验、码头调试、系泊试验和海试验证，全电喷主机工作稳定可靠;，从收集的数据来看，全电喷主机省油效果满足要求，见表2所列。
从表2可知：全电喷主机比半电喷主机省油4～5 g/kWh， 在CSR航行时，每小时省油约22.5 kg。
全电喷与半电喷主机另外一个影响油耗的因素是高压油伺服油泵的驱动不一样，全电喷主机5S50ME-C9.7正常航行时使用机带泵，不消耗电功率，只在起动阶段使用小功率电动泵驱动;而半电喷主机5S50ME-B9.3全程使用大功率的电动泵驱动，在这方面，全电喷相对于半电喷每小时省油约9 kg。
据统计数据，全电喷主机首制船航行一个月共省油20多t，省油率为4%～5%。虽然不同主机油耗数据会有个体差异，但平均省油量基本位于这个水平，由此可以看到全电喷主机省油明显。
7 结论
我司本系列船型的主机由半电喷到全电喷升级改造，满足了设计要求和各项指标，通过台架试验、系泊试验和试航检验，达到了预期的油耗要求。
关键词：全电喷主机;控制系统;冗余备份;安全保护
中图分类号：U664.12 文献标识码：A
Main Engine Upgrade from Semi-EFI to Full-EFI for
40 000 DWT Bulk Carrier
WANG Meilong
（ Jiangmen Nanyang Ship Engineering Co.， Ltd.， Jiangmen 529145 ）
Abstract： Our new series 40 000 DWT bulk carrier uses the full-EFI main engine 5S50ME-C9.7 instead of the semi-EFI 5S50ME-B9.3， ship type and equipment configuration is basically the same as the old series ship. This paper summarizes the technical update design and application results of the main engine control system after the use of the full-EFI main engine， and compares the design differences and fuel consumption of the semi-EFI main engine， in order to better grasp the design and use characteristics of the full-EFI main engine.
Key words： Full-EFI main engine; Control system; Redundant backup; Security protection
1 概述
我司在40 000 DWT系列散货船上一直使用MAN公司半电喷主机S50ME-B9.3。由于MAN新推出更省油的全电喷主机5S50ME-C9.7，通过与主机厂沟通并综合多方面因素考虑，我司决定在后续新系列的40000 DWT散货船设计中，使用全电喷主机替代以前同档次的半电喷主机，以获得更优的油耗数据，满足更高的节能环保要求。主机换型升级后，新系列船型和船上其它設备基本一致。
全电喷主机与半电喷主机最大的差异是：全电喷主机完全取消凸轮轴，喷油和排气都是电控方式，可以更好地控制喷油、排气的时序和喷油量，自动协调主机各个环节的工作;而半电喷主机只是喷油使用电控方式，排气仍然使用传统的凸轮轴驱动;另外，电喷系统所需要的高压油伺服泵，在全电喷主机上正常航行时使用机带泵拖动，而半电喷主机全程使用电动泵驱动。
使用全电喷主机后，主机控制系统的操作界面和控制连接都进行了改进，操作站显示操作更加完善，同时主机控制系统与主机遥控系统和机舱报警监测系统连接都重新考虑，在抗干扰和双备用方面考虑的更全面，增加了控制系统的可靠性;通过主机台架、码头系泊试验和试航检验，对全电喷主机的使用进行了全面的验证。与半电喷主机相关试验数据对比，全电喷主机与半电喷主机相比省油明显。
2 两种主机参数对比
全电喷主机5S50ME-C9.7与半电喷主机5S50ME - B9.3 的功率参数，见表1。
两款主机基本参数相同：缸径500 mm;冲程2214 mm;缸数5缸。
从表1可以看出：两款主机的最大连续功率MCR和连续服务功率CSR的功率值和对应转速一样;两个系列船的航速要求也基本一样，在连续服务功率CSR时，航速13.6 kn;不同点主要是合同最大连续功率CMCR不同，全电喷主机更高一点;平均有效压力和最大爆压也不同，全电喷主机为17.6 bar（CMCR时）和200 bar，半电喷主机为16.9 bar（CMCR）和186 bar。
总体来说，两种主机的主要差异在于主机电控方式，全电喷主机是全电控方式，半电喷主机只有喷油电控。
3 主机控制系统
全电喷主机与半电喷主机在船厂的机械安装和油、水、气连接差异不明显。对于船厂设计的差异主要体现在主机控制系统方面：
3.1 主机控制系统总图
主机控制系统是电喷主机控制中心，全电喷主机喷油和排气都采用电控方式，取消了全部凸轮轴;主机控制系统中，全电喷主机和半电喷主机都采用冗余双CAN总线网连接，但全电喷主机控制系统接口单元EICU增加了双备用，保证主机控制系统工作稳定可靠;同时，由于控制功能的增加，主机机身增加了一个控制箱。
全电喷和半电喷主机控制系统连接图，如图1、图2所示。
3.2 主机控制系统设备组成
（1）相互备用的两个操作站MOPA/MOPB位于集控台台面，人机接口，负责操作主机控制系统，监视主机工作状态，设置各种参数，是主机控制系统的控制核心; （2）全电喷主机相互备用的的两个输入输出接口单元EICUA和EICUB，位于集控室，负责与主机遥控系统和机舱报警监测系统信息接口;半电喷主机只有一个输入输出接口单元EICU。
（3）全电喷主机有两个主机控制箱，安装在主机机体。由两个相互备用的主机控制单元ECUA/B、三个辅助控制单元ACU1/2/3、扫气控制单元SCU、5缸的气缸控制单元CCU1～5等组成，负责收集主机各种信息用于电喷控制，操作主机各气缸电喷系统所有相关工作以及接入转速测量系统数据;半电喷主机只有一个主机控制箱，控制功能在CCU1～5中完成;
（4）主机缸套冷却水控制箱CWCU，安装在主机机体，负责主机缸套冷却水温度控制，两种主机一样;
（5）主机控制系统所有设备使用双CAN网络连接，双网互为备用，任何一路CAN出现故障会报警提醒，但不影响主机模块的通信，两种主机一样。
3.3 全电喷主机其它辅助系统
（1）电源系统
带UPS的两个电源单元互为备用，位于集控室，为主机控制系统所有设备供电，断电后可以维持主机控制系统30分钟以上的供电，两种主机一样。
（2）主机管理系统
主机管理系统（EMS）只有全电喷主机配置，系统包含主机爆压监测系统和主机数据管理系统。所有爆压监测数据通过以太网传送到集控台HUB，共享到集控台操作站电脑和主机管理系统EMS电脑上;同时，机舱报警监测系统，通过MODBUS TCP/IP协议将主机所有状态监测和报警数据传送到主机管理系统，供主机管理系统使用;半电喷主机没有主机管理系统，只有主机爆压监测PMI电脑。
（3）高压伺服油系统
主机滑油通过机带滤器后由高压伺服油泵提供高压伺服油为喷油系统提供服务。半电喷主机由两个51 kW的电动泵提供动力;全电喷主机正常航行时使用机带泵驱动，只是在起动阶段使用两个12 kW的互为备用电动泵驱动。这样主机正常运行时，全电喷主机可以节省大约50 kW的电功率消耗;伺服油泵控制和状态信号接入主机控制系统，由主机控制系统自动控制。
（4）辅助鼓风机
全电喷主机和半电喷主机辅助鼓风机配置一样，但全电喷主机辅助鼓风机控制和状态信号接入主机控制系统自动控制，由主机控制系统控制，控制鼓风机不再需要主机遥控系统执行;半电喷主机辅助鼓风机控制和状态信号接入主机遥控系统，由主機遥控系统控制。
（5）油雾探测、轴承磨损监测与油含水监测报警
全电喷与半电喷主机一样，必须配置油雾、轴承磨损和滑油含水的监测，为主机安全保护和报警监测系统提供信号源。
4 主机遥控、安全保护和报警监测系统
（1）主机遥控系统
由遥控厂家提供，相比于半电喷主机，全电喷主机的遥控系统稍微简单，主机部分控制直接由主机控制系统自己完成，主机遥控系统着重于车钟和控制命令的传送;主机控制系统和主机遥控的信息沟通，除了必要的触点信号联络外，全电喷主机控制系统增加了互为备用的双RS485通信到主机遥控系统，更多的控制和状态信息方便在主机遥控和主机控制系统之间通信。
（2）主机安全保护系统
包括：自动停车和自动降速两部分。信号由主机机身传感器及主机控制系统提供;安全保护由主机遥控系统执行：
① 主机自动停车点。全电喷主机增加了两个可越控停车保护点（主机推力轴承温度高、主机控制系统可越控停车），以及三个不可越控自动停车点（主机超速、主机滑油压力低、主控控制系统不可越控停车）;
② 主机自动降速点。全电喷与半电喷主机基本一样。
（3）主机报警监测系统
主机报警监测由机舱报警监测系统执行，主机控制系统故障信号、主机机身传感器及其附属设备（如电源、鼓风机、伺服油泵、油雾探测、轴承磨损等）故障及传感器，总共80多个报警点接入机舱报警监测系统，随时监测主机的燃油、滑油、冷却水、控制空气、主机及增压器排气、增压器滑油的温度和压力、增压器转速等，以及主设备和所有附属设备的工作状态，有故障时及时给出报警，提醒轮机员及时处理故障，全面监控主机的工作状态;全电喷主机还增加了主机的环境温度、湿度、大气压力和增压器背压等信息到机舱监测系统的显示。
全电喷主机应用时，机舱报警监测系统使用以太网，通过MODBUS TCP/IP协议将主机所有状态监测和报警数据传送到主机管理系统（EMS），供主机管理系统分析处理和保存。
5 电缆敷设与接线工艺
不管是全电喷还是半电喷主机，其对控制系统稳定性和可靠性要求较高。为了保证主机控制系统稳定可靠，除了采取必要设备和网络双冗余备用外，主机出厂前机身电缆连接要满足工艺要求，船厂电缆敷设和接线也要满足工艺要求，抗干扰能力要强，特别要注意以下几点：
（1）所有电缆采用带屏蔽的船用电缆;
（2）双备用的网线和电源线，尽量分开路径敷设;
（3）模拟信号和通信信号电缆与主电源电缆分开敷设;
（4）接线时，电缆屏蔽地线接牢靠，要特别关注主机电箱填料函的进线屏蔽，电线布置整齐，尽量减少交叉。
6 全电喷主机使用效果
我们在更换全电喷主机的控制系统计后，全程跟踪了首制船主机的工厂台架试验、码头调试、系泊试验和海试验证，全电喷主机工作稳定可靠;，从收集的数据来看，全电喷主机省油效果满足要求，见表2所列。
从表2可知：全电喷主机比半电喷主机省油4～5 g/kWh， 在CSR航行时，每小时省油约22.5 kg。
全电喷与半电喷主机另外一个影响油耗的因素是高压油伺服油泵的驱动不一样，全电喷主机5S50ME-C9.7正常航行时使用机带泵，不消耗电功率，只在起动阶段使用小功率电动泵驱动;而半电喷主机5S50ME-B9.3全程使用大功率的电动泵驱动，在这方面，全电喷相对于半电喷每小时省油约9 kg。
据统计数据，全电喷主机首制船航行一个月共省油20多t，省油率为4%～5%。虽然不同主机油耗数据会有个体差异，但平均省油量基本位于这个水平，由此可以看到全电喷主机省油明显。
7 结论
我司本系列船型的主机由半电喷到全电喷升级改造，满足了设计要求和各项指标，通过台架试验、系泊试验和试航检验，达到了预期的油耗要求。